62ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 8. Engenharia Elétrica

MEDIÇÃO DE DESLOCAMENTOS NANOMÉTRICOS POR INTERFEROMETRIA ÓPTICA EM TEMPO REAL

Paula Lalucci Berton 1 Cláudio Kitano 1 Ricardo Tokio Higuti 1

1. Depto. de Engenharia Elétrica - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP

INTRODUÇÃO:

Ao longo dos últimos anos, verificou-se a redução acentuada das escalas. Hoje é possível a manipulação de corpos e dispositivos de dimensões dentro da chamada nanoescala, a escala dos átomos e moléculas. Uma forma de medição de grandezas físicas como distância, velocidade de rotação, vibração e deslocamento, de amplitudes muito reduzidas, é a interferometria óptica. Com ela podem-se detectar amplitudes mínimas, da ordem de 10-5 nm. Neste trabalho é realizada a medição de deslocamentos utilizando técnicas de interferometria óptica aliadas a técnicas de análise e processamento de sinais. Foi utilizada uma técnica de demodulação de fase óptica, denominado J1...J4, que se baseia na análise do espectro do sinal fotodetectado. Este método é imune a derivas de fase aleatórias, que podem ser causadas por fatores externos. Nesta pesquisa tal método foi implementado utilizando um processador digital de sinais (DSP), que é uma ferramenta especialmente desenvolvida para realizar cálculos matemáticos. O equipamento utilizado trata-se do TMS320VC5416 DSP Starter Kit, da Texas Instruments, com resolução de 16 bits e aritmética de ponto fixo. Além disto, este DSP possui entrada analógica para aquisição, permitindo que o processamento seja em tempo real.

METODOLOGIA:

Uma forma de aferir deslocamentos da ordem de nanômetros é através da interferometria óptica. Em um interferômetro, de forma simples, um feixe de laser se divide e incide de forma simultânea em um espelho fixo e em outro móvel, que vibra. Os sinais refletidos se somam e incidem em um fotodetector, que o converte em sinal elétrico. Este sinal é modulado em fase, sendo necessário aplicar técnicas para recuperar seu índice de modulação, que é linearmente proporcional à amplitude da vibração. Existem várias técnicas de demodulação, sendo que neste trabalho foi abordado o método J1...J4, que se baseia no espectro do sinal. Ele consiste no cálculo das quatro primeiras harmônicas do sinal (Vn), que tem relação direta com o índice de modulação x, conforme a seguinte expressão: x = 24*V2*V3/[(V1+V3)*(V2+V4)]. O deslocamento ΔL é proporcional ao índice de modulação pela expressão: ΔL = (λ/4π)*x, onde λ é o comprimento de onda do laser utilizado. Sabendo-se que o laser de hélio-neônio, por exemplo, possui comprimento de onda λ = 632,8 nm, e como este método pode recuperar índices de modulação da ordem de 1 radiano, é possível medir deslocamentos inferiores a 50 nm. Neste trabalho o método é implementado de duas formas: utilizando o software MATLAB e o DSP acima citado.

RESULTADOS:

Inicialmente foi desenvolvida a programação do método J1...J4 no MATLAB e no DSP. O último opera em ponto fixo, o que implica em maiores cuidados no algoritmo, relativos a erros de quantização. Para o cálculo das harmônicas foi utilizado o algoritmo de Goertzel, mais eficiente que a FFT quando poucos pontos do espectro são necessários. Foram feitos vários testes com sinais simulados, livres de ruído, para que a programação do DSP fosse aperfeiçoada. Para fins de comparação, o processamento foi feito paralelamente no MATLAB. Finalmente, foi levantada a curva característica de um piezoatuador flexstensional, no qual uma tensão aplicada gera um deslocamento mecânico. Foram processados vários sinais armazenados em memória, cuja tensão aplicada era conhecida. Sabe-se que a relação tensão versus deslocamento deste atuador é linear, o que foi obtido na prática. A inclinação da reta caracteriza o atuador ensaiado que, no caso deste experimento, foi de aproximadamente 2,4 nm/V, ou seja, o sistema desloca 2,4 nanômetros para cada volt aplicado à entrada. O método funcionou corretamente no DSP para uma faixa de índice de modulação de 0,9 até 3,6 radianos, que é aproximadamente a própria faixa dinâmica do método.

CONCLUSÃO:

Várias técnicas de demodulação de fase óptica de sinais fotodetectados, para aferir nanodeslocamentos, são bem conhecidas e utilizadas. Este é o caso do método J1...J4, discutido neste trabalho. Foi utilizado o MATLAB para o processamento, um software confiável e de fácil programação, e também um DSP de ponto-fixo. O maior problema encontrado foi fazer com que esse tipo de processador operasse tão bem como um de ponto-flutuante para realização dos cálculos. Foram obtidos bons resultados com o DSP, sendo possível levantar a curva característica de um piezoatuador. Isto significa que o DSP pode ser utilizado para tal finalidade, o que dispensa o uso do microcomputador e de placa de aquisição, já que o DSP possui memória para o armazenamento do programa e conversor analógico-digital. Além disto, os DSPs, em especial os de ponto-fixo, são de baixo consumo, o que possibilita sua aplicação em sistemas embarcados. Por fim, este trabalho pode ser estendido à aplicação de outras técnicas de demodulação do sinal óptico, em especial as que se baseiam na análise espectral. Cita-se ainda que este trabalho está atualmente sendo desenvolvido em um microcontrolador baseado em DSP de ponto flutuante, o que amplia as possibilidades de aplicação.

Instituição de Fomento: PIBIC - CNPq

Palavras-chave: Processamento de sinais, Interferometria óptica, DSP.